石油化工企业抗爆控制室结构设计分析

2021-01-08丛恺源

化工设计通讯 2020年12期

丛恺源

（中海油石化工程有限公司，山东青岛 266000）

石油生产的产品种类多种多样，容易发生燃烧现象，甚至产生爆炸。这样一来，严重影响该企业的发展，对该企业带来了严重的不良影响。这时，抗爆控制室应运而生。控制室对整个化工生产起到一个控制和领导作用。它对平时的生产进行监督，避免发生爆炸现象。控制室担负着越来越重的责任，对控制室结构的要求越来越高。需要重点关注控制室的防爆能力，希望可以减少对石油化工企业的危害。尤其是在生产的过程中，往往容易产生易燃易爆的物质，而且生产环境是高温高压的，这样一来，极容易发生不良现象，造成灾害。因此，控制室就需要进行合理的设计，作为整个生产的不可或缺部分，它的设计是至关重要的。

对抗爆控制室进行分析，不能忽略一个名词，它就是爆炸荷载。爆炸荷载不同于传统的静荷载，它具有很强的特殊性。在进行控制室设计时，需要考虑它。要保障装备和工作人员的安全，一旦发生爆炸事故，立即采取控制措施，减少对企业的危险和损害[1]。

1 爆炸荷载的作用

对于抗爆控制室而言，不仅仅针对的是常规荷载，而且还要抵抗爆炸荷载。爆炸荷载是一种具有高爆发性的荷载，威力是相当大的，其产生的威力远高于地震荷载以及常规荷载等，因此在抗爆控制室的设计时应考虑这一因素。爆炸是各种化学物质触碰瞬间发生化学反应而产生的一种化学现象，在发生爆炸时，爆炸的中心会产生极大的压力并与周围形成压力差，由此产生了一股气流推动着声波向四周推进。爆炸荷载虽是一次性的，但它产生的危害也是极大的。

2 结构设计的基本规定

2.1 设计的依据

随着我国的科技水平不断提高，建筑行业的发展越来越好，但在抗爆建筑方面与发达国家相比仍显不足。我国在这方面的研究相对欠缺，目前抗爆控制室的标准还是主要参考国外标准。

2.2 规则标准

依照设计规范中的条例进行设计，要求当爆炸发生时，控制室的结构不能发生较大的变化，允许出现一定的损坏，但是必须要在能进行修复的范围之内。准确分析爆炸荷载，以此为基础来确定控制室的变形程度，根据爆炸的特点来设计控制室的结构，使控制室的性能满足规范要求。

爆炸所产生的影响是不确定的，因此在控制室结构设计时，不仅局限于例行的计算，更应注重对整个控制室的结构体系设计。在建设控制室时，可以采取钢筋混凝土的结构进行矩形平面的设置，单层最优，多层控制室与一层控制室结构相比，其安全性能相对不足。

爆炸波是由于发生爆炸的现象，在空中形成的一种冲击波和压力波。这两种波存在不同的形式，如图1所示。

图1 爆炸波的表现形式

2.3 设计方法

抗爆控制室的设计采取动力分析法，该分析方法主要分为两类：单自由度体系动力分析和等效静荷载分析方法。

2.4 设计原理

2.4.1 结构方面

控制室通常是采用防爆结构来进行设计的，外防爆剪力墙与内框架柱分离，以实现外防爆墙消散爆炸水平荷载、内框架不受水平爆炸荷载（仅垂直荷载）的目的，保证主体结构安全。

2.4.2 作用原理

若石油化工生产时发生了爆炸，爆炸所产生的爆炸力会贯穿控制室墙面，因此要利用屋面板，将荷载传递给墙边，再传递给控制室的基础。内部的框架只适合承担竖向的荷载。

2.5 变形方面

控制室在遭受爆炸时，要求变形程度较小，这就要求构件的延展性和弹塑性较好。

2.6 材料方面

选取好的材料，承受的压力较强，产生的形变较好。

3 设计的流程

3.1 前期准备

做好施工现场的勘测，合理的运用建筑知识，确定控制室的前墙和后墙等结构设计。

3.2 结构方面

在前期准备的基础之上，根据实际情况利用建筑软件进行控制室的设计。通常情况下，重点关注外围剪力墙的承受能力，需要对地震和爆炸有一定的抵抗能力。

3.3 计算过程

控制室结构设计本质是通过计算爆炸力来确定材料和结构，通过对爆炸荷载的数据参数、变形结果、旋转角等进行详细的计算，根据最终的计算结果对控制室设计方案进行优化，达到最优的结果。设计完成后应对设计的结构进行初步验证，保证结构的稳定性。

3.4 施工图纸的绘制

在绘制图纸时，需将尺寸、材料强度、考虑和未考虑爆炸情况的计算结果综合考虑，墙面通常设计为防爆墙，而配筋是影响构件材料的性能的重要因素之一，图纸应准确表明，不可随意增大或者减小

4 工程实例

某抗爆控制室长为48cm，宽为39cm，高为13cm，在这样的情况之下，其内部还有一个支架，支架的作用是支撑整个控制室，将这个支架设为长23cm、宽34cm，采取等效荷载法进行，利用公式可计算爆炸荷载的大致范围，选择出合适的构件，设置前墙和后墙的厚度。通常将墙板设计进行简化，上至屋面板，后到抗爆墙基础，简图如图2所示。

图2 简支构件

主墙和侧墙的计算公式不同，不可直接等同。计算延比性时要多次重复计算，减少由于人为失误而造成的误差。一般情况下，延比性若小于规范值，说明墙板的厚度适中，若大于范围值，需进行改进，重新计算，使计算结果低于规范值，从而满足要求。如图3所示，纵轴是最大延性数值，横轴是爆炸荷载值，曲线表示延比性随着荷载值的变化而变化，从图3即可得出最终的结果。